ジョセフソン効果によるコヒーレントなマイクロ波コム生成

微小回路を精密な時間の尺へと変える

GPSから光ファイバーネットワークまで、現代の技術は極めて精密な時間・周波数測定に依存しています。本研究は、微視的な超伝導回路がほとんど電力を使わずに「周波数コム」—等間隔に並んだマイクロ波の色からなる尺—を生成できることを示しています。こうしたチップ上のコムは将来の量子コンピュータや超高感度検出器の重要な構成要素となり、実験室を占める装置をチップサイズへと小型化する助けとなる可能性があります。

周波数を測るための“色の定規”

周波数コムはスペクトル上の等間隔で位相がロックされた複数のトーンの集合で、無線、マイクロ波、光を極めて高精度に結び付けることを可能にします。光周波数コムは既に精密計測や原子時計に革命をもたらしましたが、大型で非常に高い周波数帯で動作します。一方、多くの量子デバイス、特に超伝導やスピンを用いる量子ビットは概ね8ギガヘルツ以下、従来の電子機器で使われるマイクロ波帯で動作します。こうした周波数帯でチップ上にコンパクトかつ低損失のコムを直接構築できれば、低温冷却器内で多数の量子ビットを制御・読み出すことが格段に容易になります。

コム源としての微小超伝導ループ

著者らは、アルミニウムで作製したdc超伝導量子干渉装置（SQUID）を用いてそのようなコム発生器を実現しました。SQUIDは本質的に二つのジョセフソントンネル接合で分断された小さな超伝導ループです。近傍のオンチップラインがループに振動する磁束を送り込み、伝送線が電気信号を運び出します。静的な磁束バイアスを磁束量子の半分近くに調整し、正弦状の磁束駆動を加えると、SQUIDを横切る量子位相が時間とともに変化します。ジョセフソン効果により、この変化する位相は符号が交互の鋭い電圧パルス列を生み、それがマイクロ波回路へと伝搬します。

時間のパルスから周波数のコムへ

時間領域での繰り返しパターンはフーリエ解析により周波数領域で等間隔の複数トーンに変換されます。本装置では電圧パルスの反復率が駆動周波数によって直接決まり、各パルスの鋭さが何次高調波まで現れるかを決定します。チームは4〜8ギガヘルツのCバンドで放射スペクトルを測定し、駆動周波数の整数倍として数十本の狭帯域で規則正しく間隔の空いた線を46次モード以上にわたって観測しました。重要な点として、共振キャビティは使われておらず、コム間隔は単にポンプ周波数であり、理論的にはギガヘルツからテラヘルツ領域まで掃引可能です。スペクトルに余分な周波数オフセットがないため、参照クロックへの結び付けも単純化されます。

コヒーレンス、制御、そして穏やかな電力消費

真の周波数コムと見なすには、線が等間隔であるだけでなく相対位相が安定している必要があります。研究者たちは高分解能スペクトラムアナライザと同相・直交成分を記録するヘテロダイン系を用いて個々の高調波を調べました。測定器により約1/3ヘルツに制限される非常に狭い線幅を見いだし、数秒のコヒーレンス時間を示唆しました。駆動ラインに制御可能な位相シフタを挿入することで、ポンプの位相を変えるとコム線の位相がその次数に比例して回転することを示し、モード間に固定で調整可能な位相関係が存在することを確認しました。回路シミュレーションは磁束や駆動強度に対する高調波パワーの変化とよく一致しました。超伝導デバイスであるため、パルスごとの消費エネルギーは極めて小さく、典型的な動作条件での総消費電力は約10⁻¹⁸ワットと見積もられ、現代の希釈冷凍機の冷却能力に比べて無視できるほど小さく、低温CMOS電子回路よりもはるかに低い値です。

量子技術のためのチップスケールツールに向けて

マイクロメートルスケールのSQUIDからコヒーレントでチューナブルなマイクロ波周波数コムを実証することで、本研究は精密な周波数ツールを量子プロセッサやセンサーのそばに直接統合する道を開きます。キャビティ非搭載、極めて低いエネルギー散逸、小さなフットプリントは、マルチプレックス化された量子ビット制御、オンチップデバイスの周波数コム分光、多量子ビットのエンタングル操作など、拡張可能な低温電子回路にとって魅力的です。将来の設計でSQUIDの対称性や形状を調整すれば出力パワーを増強し得るほか、到達可能な周波数帯域を拡大でき、コンパクトで固体素子ベースの周波数コムを量子技術の実用化に一歩近づけるでしょう。

引用: Greco, A., Ballu, X., Giazotto, F. et al. Coherent microwave comb generation via the Josephson effect. Nat Commun 17, 2972 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69652-1

キーワード: 周波数コム, 超伝導回路, ジョセフソン効果, マイクロ波量子技術, SQUIDデバイス